狀態(tài)檢測技術(shù)在隧道掘進(jìn)機(jī)上的應(yīng)用

左慶林，馬懷祥，徐明新

(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石 家莊 0 50043)

一、前言

西秦嶺隧道全長28.236km，爆法位于新建鐵路蘭渝線中段，穿越秦嶺高中山區(qū)，地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)，隧道施工采用鉆爆法和TBM法掘進(jìn)對(duì)接方案，進(jìn)口區(qū)段(8.463km)采用鉆爆法施工；出口區(qū)段(19.8km)采用TBM即全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。TBM掘進(jìn)機(jī)是由美國羅賓斯公司設(shè)計(jì)，型號(hào)為MB332-335&336，結(jié)構(gòu)由主機(jī)、連接橋和后配套組成。刀盤直徑10.2m，整機(jī)全長180余m，重1 800t，采用美國羅賓斯公司擁有全球?qū)＠?9"滾刀等技術(shù)，減少了換刀頻率，確保了整機(jī)的質(zhì)量和技術(shù)的先進(jìn)性。為確保工程的進(jìn)展，有必要對(duì)TBM的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究，以縮短維修時(shí)間，提高設(shè)備利用率。

二、測試系統(tǒng)硬件

TBM故障診斷硬件系統(tǒng)分為四個(gè)部分：傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)。

傳感器將要采集的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。并上傳到信號(hào)調(diào)理裝置。信號(hào)調(diào)理裝置將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后再傳到計(jì)算機(jī)中，見圖1。

圖1 TBM狀態(tài)檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

因TBM各主要部件均是旋轉(zhuǎn)部件，所以采用振動(dòng)測試方法能夠有效地檢測出設(shè)備運(yùn)行狀況。振動(dòng)測試工況選定為以下6種：靜載；刀盤轉(zhuǎn)速1.0r/min；刀盤轉(zhuǎn)速2.0r/min；刀盤轉(zhuǎn)速3.0r/min；刀盤轉(zhuǎn)速4.0r/min；刀盤轉(zhuǎn)速5.0r/min。

1.振動(dòng)傳感器的選取

振動(dòng)傳感器主要有3種：加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器。加速度傳感器的使用頻率一般在1～8kHz，通常選用具有壓電效應(yīng)的晶體作為敏感元件；10～1 000Hz的振動(dòng)選用速度傳感器最有效；位移傳感器所應(yīng)用的頻率為1kHz左右，多用于低速重載的設(shè)備。

綜合以上分析選用INV9482型ICP加速度傳感器和INV9828型ICP加速度傳感器。其中INV9482傳感器具有內(nèi)置ICP(IEPE)前置放大器、輕質(zhì)、通用等優(yōu)點(diǎn)。其靈敏度為5mV/g，測量范圍為1 000g，工作溫度范圍-40～+120℃，用于測量TBM各主電機(jī)振動(dòng)情況。INV9828傳感器具有內(nèi)置ICP(IEPE)前置放大器、低噪聲、高分辨率、低頻、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。其靈敏度為500mV/g，測量范圍為10g，工作溫度范圍為：-20～+120℃，用于測量主梁和主軸承振動(dòng)情況。

2.信號(hào)采集儀選取

為適應(yīng)現(xiàn)場工作情況，采用INV3060S型24位網(wǎng)絡(luò)分布式同步采集儀，采用以太網(wǎng)接口，1臺(tái)計(jì)算機(jī)可以通過LAN局域網(wǎng)控制多臺(tái)采集儀。多臺(tái)INV3060S之間可進(jìn)行級(jí)聯(lián)和同步，同時(shí)支持同步線同步(近距離100m)和GPS授時(shí)同步(遠(yuǎn)距離甚至不同城市之間)，適合分布式、多測點(diǎn)、遠(yuǎn)距離或無線傳輸?shù)恼駝?dòng)、噪聲、沖擊、應(yīng)變、壓力、電壓等各種物理量信號(hào)采集，可以脫離DASP軟件實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)采集?？衫糜?jì)算機(jī)、iPad、智能手機(jī)等通過Web網(wǎng)頁方式進(jìn)行操控、顯示。與DASP軟件相連形成具有一百余項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的高性能數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)。其中，最高采樣頻率：51.2kHz；AD精度：24位Σ-ΔADC；通道數(shù)目：16；通道間串?dāng)_：-100dB；輸入量程：±0.1V，±1V，±10V，適用于DASP系列全部軟件。

三、振動(dòng)信號(hào)測試分析

1.測試位置選取

測點(diǎn)的選擇一般遵循以下原則：測點(diǎn)表面應(yīng)盡量光滑；測點(diǎn)應(yīng)盡可能接近被測振源；低頻(＜1 000Hz)要設(shè)水平、垂直、軸向三個(gè)方向傳感器，高頻(＞1 000Hz)設(shè)一個(gè)方向即可。

根據(jù)以上原則，對(duì)1號(hào)電機(jī)、5號(hào)電機(jī)、11號(hào)電機(jī)、主軸承進(jìn)行振動(dòng)測試分析。主電機(jī)測點(diǎn)為水平、垂直和軸向，主軸承垂直方向和軸向(圖2)。

圖2 主電機(jī)振動(dòng)測試位置示意圖

2.振動(dòng)信號(hào)分析

使用LabVIEW應(yīng)用分析軟件對(duì)所采集的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)分析，并采用振動(dòng)烈度的評(píng)級(jí)方法。振動(dòng)烈度的評(píng)級(jí)方法由GB11347-1989規(guī)定。此標(biāo)準(zhǔn)適用于功率大于300kW、轉(zhuǎn)速為10～200r/s(600～12 000r/min)的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)烈度的現(xiàn)場測量與評(píng)定。振動(dòng)烈度用公式（1）計(jì)算。

式中：N——樣本數(shù)目；

Vi——速度信號(hào)經(jīng)離散后的樣本值，mm/s。評(píng)定等級(jí)見表1。表中相鄰兩級(jí)之間的比值近似1：1.6，即相差約4dB。

表中：A——新交付使用機(jī)器；B——機(jī)器可長期運(yùn)行；C——機(jī)器尚可短期運(yùn)行，但必須采取補(bǔ)救措施；D——停機(jī)，不允許運(yùn)行。

對(duì)采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)積分后轉(zhuǎn)化為振動(dòng)速度信號(hào)，經(jīng)LabVIEW軟件編程進(jìn)行分析處理。

由式（1）計(jì)算得1號(hào)電機(jī)、5號(hào)電機(jī)、11號(hào)電機(jī)、主軸承振動(dòng)烈度如表2所示。

表1 振動(dòng)烈度評(píng)定等級(jí)

表2 各測點(diǎn)振動(dòng)烈度值

由各振動(dòng)烈度值對(duì)比GB11347-1989可知5號(hào)電機(jī)和主軸承處于B級(jí)，可以長期運(yùn)行；1號(hào)電機(jī)和11號(hào)電機(jī)處于C級(jí)，尚可短期運(yùn)行，但必須采取補(bǔ)救措施，且11號(hào)電機(jī)振動(dòng)比較劇烈，應(yīng)引起注意。

11號(hào)電機(jī)振動(dòng)加速度頻譜圖如圖3所示。

圖3 11號(hào)電機(jī)頻譜圖

由頻譜圖可知1 079.1Hz處有較高幅值，且低頻帶有連續(xù)較高譜峰值，說明11號(hào)電機(jī)或軸承局部振動(dòng)過大，可能或已經(jīng)發(fā)生故障，與振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)結(jié)論相一致。

四、結(jié)論

對(duì)TBM主要旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測并結(jié)合TBM機(jī)載在線監(jiān)測和現(xiàn)場操作工人經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)TBM各設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行比較快速、準(zhǔn)確的判斷，避免了維修的盲目性，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1]李南川．西秦嶺隧道TBM掘進(jìn)步進(jìn)施工技術(shù)[J]．隧道建設(shè)，2011.

[2]張建勛，朱景春．振動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測與診斷中的應(yīng)用和動(dòng)向[J]．昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000.

[3]陳長征，胡立新，周勃等．設(shè)備振動(dòng)分析與故障診斷技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，2007.